3D打印技术制造机械性能和阻燃性能俱佳的仿珍珠母结构

来源：Research

近期，美国圣地亚哥州立大学杨阳，武汉大学王自昱，美国南加州大学陈勇团队合作，采用3D打印技术，制造了机械性能和阻燃性能俱佳的仿珍珠母结构新型材料。这类材料有望应用于军事、消防设备、机械、航空航天和电子领域。相关研究以“3D Printing of Nacre-Inspired Structures with Exceptional Mechanical and Flame-Retardant Properties”为题发表在Research上。

相关论文链接：https://doi.org/10.34133/2022/9840574

研究背景

如今，包括工业、航空、电子和消防在内的诸多工程领域均需要轻质、坚固且耐热的零部件。尽管陶瓷材料在耐热性、硬度和力度等方面均有良好表现，但较为易碎，延展性和抗拉强度也欠佳。高分子聚合物虽具有较高延展性和抗拉强度，但力度、硬度和耐热性较差。将这两种材料进行复合后益处颇多，但克服不同材料之间的不可兼容性较为困难。为此，研究人员从某些软体动物的珍珠母结构中找到了有效复合的灵感。天然的珍珠母具有“砖砂浆”（BM）结构，其中整齐排列的碳酸钙纳米片是“砖块”，“砖块”之间填充的丝素蛋白是“砂浆”。

研究进展与展望

尽管已有若干研究使用整齐排列的氮化硼纳米片（BNs）作为仿珍珠母BM结构中的“砖块”，但在冰模板化和层层自组装情况下，其仅适用于制造薄膜和块状物体；在基于电/磁场/挤出式3D打印应用中，填料的负载率低，黏度差。为了克服这些缺点，研究人员研发了螺旋叶片铸造辅助3D打印工艺（rbc-3D），以生产具有复杂形状的仿珍珠母结构。此工艺能够以较高的BNs负载率打印出机械性能、热性能和阻燃性能俱佳的结构。

图1 a) 将真珠质模型切片生成投影图像模式进行3D打印，通过旋转铸片过程中的剪切力对bn进行对齐，选择性曝光(紫色部分)将固化复合材料；(b) 3D打印真珠质的SEM图像，显示了bn的精确对准控制；(c)天然珍珠层与3D打印珍珠层荷载-位移曲线比较；(d) 3D打印真珠质断裂后的裂纹分支；(e) SEM图像中的裂纹挠度及COMSOL Multiphysics模拟

在rbc-3D打印工艺中，首先使用单体（三甲氧基甲硅烷基丙基丙烯酸酯）实现BNs表面改性，以增强“砖块”氮化硼与“砂浆”光固化单体之间的附着力，使其形成重量比为55%的黏性复合物。然后将此复合物置于可旋转的平台上。当平台工作时，扁平状刀片推压复合物，产生的切变率促使氮化硼整齐排列，进而形成BM结构。此时的复合物中，BNs均衡分布，光固化树脂通过紫外线照射固化成所需形状。

采用该工艺，研究人员能够制造出具有出色机械性能、热性能和阻燃性能（机械性能优于天然珍珠母）的头盔和盔甲，还能够制造形状复杂的零部件，为将来军事、消防设备、机械、航空航天和电子领域更广泛的应用奠定基础。

作者简介

杨阳，美国圣地亚哥州立大学机械工程系助理教授，研究方向为增材制造、微纳米制造、纳米复合材料、可再生能源、自愈材料。